梁坚1，朱强2，王锦标1
（1．清华大学自动化系，北京100084；
2．上海自动化仪表股份有限公司dcs公司，上海200082）
1 引 言
组态软件是集散控制系统（dcs）完成系统配置、控制策略及监控画面组态的重要工具。sup－max500是dcs公司研制开发的集散控制系统，组态方式符合iec1131－3国际标准，主控卡使用32位微处理器，并采用嵌入式实时控制系统，保证了系统的实时性和可靠性，目前已在多个电厂中投入应用。该文介绍了supmax500组态软件的设计思想、体系结构以及isagraf、vxworks在supmax500组态软件中的应用。
2 isagraf的特点及体系结构
isagraf是一种嵌入式控制软件，支持iec1131－3标准所提出的5种组态语言：功能块图（fbd）、梯形图（ld）、顺序功能图（sfc）、指令表（il）和结构化文本（st），同时还支持流程图语言（fc）。在sup－max500组态软件的开发过程中，使用了isagrafpro 4．1版本，支持增强的tcp／ip协议和iec1131－3标准所提出的通讯功能块，支持tic硬件无关代码的生成，并可移植至winnt、os－9及vxworks等多种操作平台。
isagraf由运行在工程师站上的组态平台和运行在控制站主控卡目标系统中的虚拟机两部分组成，两者之间通过rs－232或以太网进行通信。组态平台提供了开发移植性应用程序的编程环境，可在windows系统中运行，供用户开发组态应用程序，同时还提供调试、在线监视、离线仿真和在线修改等工具；虚拟机运行在主控卡硬件平台上，实时的执行组态平台下载的应用程序代码。isagraf的体系结构如图2—1所示。
3 supmax500系统组态软件的整体设计
该组态软件是基于isagraf嵌入式控制软件集组态、监控和管理于一体的开放式实时控制软件。由于isagraf虚拟机运行在控制站主控卡操作平台上，支持winnt、os－9及vxworks操作系统，而主控卡是supmax500系统的核心器件，需要完成通信、控制运算、数据采集等复杂的功能。因此，主控卡采用32位嵌入式微处理器5x86为主cpu，采用vxworks嵌入式实时操作系统，并使用tornadoⅱ嵌入式开发工具进行开发调试，实现了系统控制运算高速、实时、可靠，并满足了isagraf虚拟机对目标操作系统的要求。
组态软件主要由suptools系统组态工具、iec1131－3图形组态工具和supview实时监控组态工具3部分组成，整体结构如图3－1所示。
其中suptools是supmax500系统组态的基本工具，完成控制系统软硬件组态，生成并下载系统组态数据库，同时对图形组态工具和监控组态工具进行管理；图形组态工具提供了符合iec1131－3标准的5种标准组态编程语言和流程图语言，并提供了大量的控制算法模块，供系统工程师进行控制策略组态；supview实时监控组态工具提供了强大的作图功能，可根据现场需求开发各种功能画面，对现场设备进行实时监控。
组态软件的设计主要有如下特点：以windowsnt为操作平台，保证了组态软件运行的通用性及稳定性；控制站主控卡采用了vxworks嵌入式实时操作系统，具有高效的多任务管理机制，并符合posix1003．1b实时扩展标准，保证了控制系统运行的实时性及可靠性；组态方式符合iec1131－3国际标准，允许在同一个程序中使用多种编程语言进行混合编程并实时运行，提高了组态软件的灵活性；监控软件采用客户／服务器结构，进行分布式处理，并支持opc标准，提高了系统的开放性和互操作性。
4 isagraf在组态软件中的集成与应用
isagraf是iec1131－3图形组态工具的基础，也是supmax500系统组态的核心软件。在iec1131－3图形组态工具中，没有使用isagraf所定义的io机制，而是重新定义了io系统、输入输出缓冲、isagraf虚拟机运行机制等，并提供了大量复杂的控制算法模块，扩展了系统的组态控制功能，实现了isagraf在supmax500系统组态软件中的无缝集成。
4．1 isagraf内部机制的定制
isagraf提供了2种下载到虚拟机的应用程序代码：硬件无关代码（tic）和c源代码。由于c源代码下载后必须与虚拟机核心代码进行编译链接，对硬件设备依赖性强，因此，iec1131－3图形组态工具在默认情况下采用tic代码。在主控卡vxworks操作系统中，可采用“medium”模式和“large”模式定制虚拟机。在“medium”模式下，所有的tic代码指令及虚拟地址均采用16位的存储形式；而在“large”模式下，均存储为32位的形式，并允许虚拟机执行超过64kb的应用程序。由于主控卡主cpu为32位微处理器，因此iec1131－3图形组态工具采用“large”模式，使虚拟机具有更强的数据运算及处理能力，并可开发运行功能强大的用户应用程序。
4．2 io系统的设计
由于isagraf所提供的io机制不能够满足supmax500系统对io处理的要求，因此，iec1131－3图形组态工具系统硬件的实际情况在isagraf中重新对io卡件及其运行机制进行了定义，并设计了一系列输入输出缓冲，包括远方数据接收缓冲和数据终端缓冲，连接控制站io卡件和主控卡中运行的isagraf虚拟机。输入输出缓冲实现了与io卡件的硬件连接并对io数据读写进行管理；远方数据接收缓冲和数据终端缓冲则实现了主控卡之间的数据交换。所有的io卡件及数据缓冲的定义文件均嵌入了isagraf的io系统定义文件，并将相应的输入输出处理程序直接嵌入isagraf虚拟运行程序，使用户进行系统组态时无须在组态工具中进行组态调用。
组态项目的io系统组态在suptools组态工具中完成。在suptools中，用户可对supmax500系统的主控卡、数据转发卡、io卡等进行选择，定义相应属性并为与io卡件连接的输入输出变量定义 相应的输入输出缓冲。由于supmax500系统采用 图4—1 isagraf虚拟机运行流程
了硬件冗余的方法以提高系统容错能力，因此用户还可以对冗余的各种卡件进行定义。在完成io系统等硬件组态后，suptools对其进行编译查错并生成组态资源文件，同时在isagraf组态项目中生成相应的数据标识（ptid）及数据缓冲。为了实现isagraf与io系统的连接，iec1131－3图形组态工具在isagraf中定义了一系列的c函数及c函数块，可根据数据标识对输入输出缓冲等进行读写，从而实现输入输出和控制功能。
4．3 控制算法模块的设计
在supmax500控制系统中，一块主控卡可以定义128个控制算法模块，以实现复杂的控制功能。
isagraf提供了四则运算、逻辑运算等常规控制运算模块，因此，为了实现supmax500系统特定的控制功能，必须将控制算法模块嵌入到isagraf算法函数库中。isagraf为用户提供了2种自定义函数模块的方法。
第1种方法是使用isagraf现有的模块搭建所需的控制算法功能块，该功能块可供组态程序各函数进行调用。这种方法难以满足supmax500系统的控制要求。
第2种方法是使用isagraf所提供的tdbuild（目标定制工具）或plctools，将用户所定义的c函数、函数块和转换函数集成到isagraf组态平台和虚拟机中。在tdbuild中，用户可以定义函数模块的外形、输入输出端口参数并编写c源代码。函数模块的属性在suptools工具中进行定义，isagraf可根据函数模块生成的数据标识对函数属性进行访问。将函数模块与isagraf虚拟机编译链接并下载到主控卡后，即可在iec1131－3图形组态工具中调用该函数模块进行组态，实现特定的控制功能。
4．4 isagraf虚拟机的定制及调试
isagraf支持变量绑定机制，可在不同资源间实现变量共享。isagraf虚拟机按照如下顺序执行资源代码：扫描输入变量，处理绑定变量，执行应用程序，产生绑定变量，更新输出设备。由于图形组态工具根据supmax500系统硬件重新定义了io管理机制，为实现控制系统与isagraf嵌入式软件之间的无缝集成，必须重新定制内核运行机制并嵌入到isagraf虚拟机运行程序中。重新定制后的虚拟机主要程序流程如图4—1所示。
isagraf程序代码的编译、调试和下载，在tor－nadoⅱ嵌入式开发工具中进行。tornado集成环境提供了高效的图形化实时应用开发平台，并采用主机———目标机交叉开发模型。应用程序在主机的windows环境下编译链接生成可执行文件，再下载到目标机，通过主机上的目标服务器（target server）与目标机上的目标代理（target agent）的通信完成对应用程序的调试和分析。
因此，根据isagraf软件的功能，在主控卡vxworks实时操作系统中，可同时运行isagraf组态管理器任务、isavm虚拟机任务、ivmxxxx虚拟机任务、saixd交换调度任务、etcp任务以及is－arsi任务。根据所划分的任务及sup－max500组态软件对io系 统和算法函数所作的扩展，在tornado工作区中可创建相应的可下载（downloabable）vxworks项目。由于主控卡目标系统主cpu为5x86，因此选择i80486gnu工具将所有的项目编译链接为isax86．out文件，并下载到目标系统中进行调试。
5结束语
随着控制系统对运算能力和实时性能要求的不断提高，集散控制系统已成为嵌入式应用领域中的一个重要研究方向。isagraf嵌入式控制软件符合iec1131－3标准，其高效的多任务并行管理机制极大地提高了系统的实时性能。文中重点介绍了它的结构特点以及在supmax500组态软件中的设计和实现方法。该系统在多个电厂控制项目中的运行情况表明，满足了系统实时性、通用性和可靠性的要求。
